若爾蓋縣濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的水文地貌生態(tài)閾值

崔 燚,張學(xué)霞,2,*,張 雪,方 宇,郭長(zhǎng)慶

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院, 北京 100083

2 水土保持國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083

濕地是分布于陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間具有獨(dú)特水文、土壤、植被與生物特征的生態(tài)系統(tǒng),是自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀和人類最重要的生存環(huán)境之一,在氣候調(diào)節(jié)、促淤造陸、蓄洪防旱、降解環(huán)境污染等方面起著極其重要的作用,享有“地球之腎”的美譽(yù)[1]。生態(tài)閾值是指生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、性質(zhì)或現(xiàn)象發(fā)生突變,或環(huán)境驅(qū)動(dòng)力的微小變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大響應(yīng)的點(diǎn)[2]。遙感技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確的探究濕地生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空變化規(guī)律,從而分析濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的生態(tài)閾值。閾值的獲取對(duì)于濕地保護(hù)、恢復(fù)、預(yù)警等方面具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)于濕地生態(tài)系統(tǒng)而言,地形起伏直接影響著濕地的生態(tài)過(guò)程和功能發(fā)揮[3]。濕地土壤、濕地生物、小氣候、水文等要素的空間分異規(guī)律在一定程度上受到濕地地形地貌的影響[4]。水是濕地生態(tài)系統(tǒng)的控制性環(huán)境因子,水文過(guò)程控制著濕地的形成與演化,是塑造濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能、引起濕地景觀動(dòng)態(tài)變化的重要驅(qū)動(dòng)力[5]。人工溝渠對(duì)濕地的水文過(guò)程有著直接影響[6- 7],通過(guò)管理規(guī)劃溝渠,可以排水疏干沼澤,也可以恢復(fù)或提高濕地的水位。

若爾蓋濕地是典型泥炭沼澤濕地,是重要的生態(tài)敏感區(qū)、生物多樣性豐富帶,在調(diào)節(jié)區(qū)域乃至全球氣候等方面有十分重要的作用。作為黃河上游的重要水源涵養(yǎng)地,若爾蓋濕地儲(chǔ)存了約50×108m3地下水,每年向黃河源干流補(bǔ)水約 40×108—50×108m3[5]。20世紀(jì)60年代以來(lái),若爾蓋地區(qū)開(kāi)展了大規(guī)模的開(kāi)溝排水活動(dòng),據(jù)統(tǒng)計(jì),1965—1973年期間,若爾蓋縣挖溝長(zhǎng)度總計(jì)200 km,受影響的沼澤面積達(dá)1400 km2,約800 km2的沼澤變?yōu)榘霛窕蚋苫癄顟B(tài)[8]。研究表明,如果生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)歷了穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變,則可以通過(guò)將影響因素水平降低到比變化前更低的水平來(lái)實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[9]。對(duì)于處于退化狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng),如果可以預(yù)先確定穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的閾值和可能的發(fā)生機(jī)制,則可以提前控制以降低恢復(fù)成本。胡春明等[10]以二卡自然保護(hù)區(qū)為研究區(qū)域,通過(guò)分析月均流量頻率分布特征劃分低、中、高徑流期作為穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的依據(jù),將此時(shí)的濕地狀態(tài)作為生態(tài)閾值。吳東浩等[11]基于大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物密度變化,利用統(tǒng)計(jì)分析方法尋找突變點(diǎn),以此確定西苕溪上游流域河流營(yíng)養(yǎng)鹽濃度閾值。

針對(duì)若爾蓋縣人工排水導(dǎo)致濕地萎縮和退化的現(xiàn)狀,亟需獲取濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的水文地貌生態(tài)閾值,制定切實(shí)可行的濕地保護(hù)和修復(fù)調(diào)控策略。因此,本文以若爾蓋縣濕地為研究對(duì)象,結(jié)合遙感和生態(tài)學(xué)方法,基于行政鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度,得到濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的生態(tài)閾值,并從空間層面劃定濕地恢復(fù)的優(yōu)先性。研究結(jié)果可以為濕地保護(hù)及濕地修復(fù)的調(diào)控管理提供理論支撐和決策參考。

1 研究區(qū)概況

若爾蓋縣位于青藏高原東北部邊緣,隸屬四川省阿壩藏族羌族自治州,地理位置為32°56′—34°19′N,102°08′—103°39′E,總面積10436.58 km2,平均海拔3471 m。若爾蓋縣氣候濕潤(rùn)寒冷,年平均氣溫0.6—1.2℃,年降水量560—860 mm,但近年來(lái)出現(xiàn)了明顯的暖干化趨勢(shì)[12]。若爾蓋縣分布著黑河、白河等河流以及花湖、哈丘湖、興措湖等湖泊,河流、沼澤等濕地廣布。地貌類型以河谷階地、低山丘陵和高山峽谷為主。若爾蓋縣廣泛發(fā)育高原草甸土和泥炭沼澤土,植被以亞高山草甸和沼澤植被為主。研究區(qū)建有若爾蓋濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和花湖濕地示范工程。

在全球變暖、區(qū)域蒸發(fā)量增大等氣候變化和過(guò)度放牧、開(kāi)挖溝渠等人類活動(dòng)的影響下,研究區(qū)濕地生態(tài)環(huán)境明顯惡化。2015年若爾蓋縣開(kāi)挖溝渠共計(jì)219條,總長(zhǎng)度超過(guò)4500 m。人工溝渠直接改變了若爾蓋縣的水系分布及其水文連通性,排走了大量的地表水,沼澤疏干后土壤逐漸裸露變干,引起濕地萎縮[13]。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Location map of the study area

2 數(shù)據(jù)和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所使用的土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.resdc.cn/)的全國(guó)陸地區(qū)域多時(shí)相土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)集,共有1980、1990、1995、2000、2005、2010年和2015年7期,空間分辨率為1 km。該數(shù)據(jù)集以Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源,通過(guò)人工目視解譯生成,經(jīng)過(guò)野外調(diào)查實(shí)地驗(yàn)證,土地利用現(xiàn)狀一級(jí)類型綜合評(píng)價(jià)精度達(dá)到93%以上[14]。其分類體系中共有6個(gè)一級(jí)類型和26個(gè)二級(jí)類型。依據(jù)《濕地公約》中對(duì)濕地的定義,將二級(jí)類型中的河渠、湖泊、灘地及沼澤地作為研究的濕地,其余土地利用類型被劃分為非濕地。所使用的溝渠矢量數(shù)據(jù)是在野外調(diào)研的基礎(chǔ)上,結(jié)合Google Earth遙感影像,通過(guò)目視解譯獲得。DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)的GDEMV2數(shù)字高程數(shù)據(jù),空間分辨率為30 m。

2.2 研究方法2.2.1 水文地貌指標(biāo)的選取

水文地貌條件是影響濕地形成和發(fā)育的基礎(chǔ),地勢(shì)平坦且河流分布廣泛的地區(qū)往往更容易孕育大面積沼澤濕地,開(kāi)溝排水是若爾蓋縣疏干沼澤的重要方式,故本文選擇海拔高度、險(xiǎn)峻程度、地形濕度指數(shù)(Topographic Wetness Index,TWI)、溝渠密度、線點(diǎn)率以及網(wǎng)絡(luò)連通度(Network connectivity)作為重要的水文地貌指標(biāo)。

險(xiǎn)峻程度是指某一確定面積內(nèi)最高和最低點(diǎn)之高差[15]。利用ArcMap中的空間分析模塊,用鄰域分析-焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)工具,劃分3×3像元的矩形,求取分析窗口內(nèi)的高差,作為目標(biāo)柵格的險(xiǎn)峻程度。

TWI是利用DEM數(shù)據(jù)生成坡度和匯流面積并進(jìn)行柵格計(jì)算得到的指數(shù)[16]。公式如下：

TWI=ln(α/tanβ)

(1)

式中,α為流經(jīng)地表某點(diǎn)的單位等高線長(zhǎng)度上的匯水面積,β代表該點(diǎn)處的地形坡度,tanβ為局部坡角。為避免tanβ出現(xiàn)等于0的情況,研究中用10-10代替等于0的坡度。規(guī)定單位匯水面積取值最小為1個(gè)柵格單元長(zhǎng)度,以避免比值為0的情況出現(xiàn)。由此方法計(jì)算出若爾蓋縣的TWI。

溝渠密度用單位面積上的溝渠總長(zhǎng)度來(lái)表示[17- 19],公式如下：

D=L/A

(2)

線點(diǎn)率是指網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均連線數(shù)[14- 15],公式如下：

β=L/V

(3)

網(wǎng)絡(luò)連通度是用來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)被連接的程度,即一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中連接溝渠數(shù)與最大可能連接溝渠數(shù)之比[17- 18],公式如下：

γ=L/3(V-2)

(4)

式中,D為溝渠密度,L為連接溝渠數(shù),A為濕地面積,β為線點(diǎn)率,V為節(jié)點(diǎn)數(shù),γ為網(wǎng)絡(luò)連通度。由于溝渠矢量數(shù)據(jù)存在冗余點(diǎn),經(jīng)反復(fù)嘗試驗(yàn)證,最終閾值為10 m時(shí)去除冗余點(diǎn)、保留有效節(jié)點(diǎn)效果最好。線點(diǎn)率的數(shù)值范圍為0—3。線點(diǎn)率為0時(shí)表示無(wú)網(wǎng)絡(luò)存在;線點(diǎn)率增大,表示網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每一節(jié)點(diǎn)的平均溝渠連數(shù)增加,網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性增強(qiáng)。網(wǎng)絡(luò)連通度的變化范圍為0—1。網(wǎng)絡(luò)連通度為0時(shí),表示沒(méi)有節(jié)點(diǎn)相連;網(wǎng)絡(luò)連通度為1時(shí),表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)都彼此相連。

2.2.2熵值法

熵主要反映系統(tǒng)的混亂程度,在信息論中,熵是對(duì)不確定性的一種度量,而信息是有序程度的度量,二者絕對(duì)值相等,符號(hào)相反[20]。在由n個(gè)評(píng)價(jià)方案和m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所構(gòu)成的指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣X={xij}n×m中,數(shù)據(jù)的離散程度越大,信息熵越小,所提供的信息量越大,該指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響越大,其權(quán)重也越大;反之,各指標(biāo)之間差異越小,信息熵就越大,所提供的信息量則越小,權(quán)重亦越小。

2.2.3生態(tài)閾值統(tǒng)計(jì)分析法

生態(tài)閾值概念是20世紀(jì)70年代提出的,主要指生態(tài)系統(tǒng)的幾個(gè)穩(wěn)態(tài)之間突然改變的點(diǎn)或區(qū)域[21]。生態(tài)系統(tǒng)對(duì)干擾的反應(yīng)會(huì)隨著干擾力度的改變而出現(xiàn)突然的變化,致使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或功能發(fā)生相應(yīng)的改變,即穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換[9]。如圖2所示,顯示出生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的變化過(guò)程,不同的穩(wěn)態(tài)(左、右)之間有一個(gè)臨界點(diǎn),半圓的深度代表生態(tài)系統(tǒng)對(duì)干擾的“抵抗力穩(wěn)定性”,半圓最高點(diǎn)到底部的傾斜表示生態(tài)系統(tǒng)的 “恢復(fù)力穩(wěn)定性”,在某一時(shí)刻,干擾會(huì)將一個(gè)系統(tǒng)推到一個(gè)臨界點(diǎn)以外,進(jìn)入另一個(gè)狀態(tài)[22]。研究表明,在生態(tài)恢復(fù)和退化過(guò)程中都有不同的響應(yīng)閾值。這往往取決于所采用的時(shí)間和空間尺度,以及驅(qū)動(dòng)因素的動(dòng)態(tài)特征和生態(tài)系統(tǒng)的狀況。)表明生態(tài)系統(tǒng)的退化閾值,超過(guò)這個(gè)閾值,生態(tài)系統(tǒng)無(wú)法恢復(fù)到未受破壞的狀態(tài)。顯示了生態(tài)恢復(fù)的人為干預(yù)的合理閾值,超過(guò)該閾值,生態(tài)系統(tǒng)功能不會(huì)顯著增加,并且可能會(huì)下降(圖2)。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換原理及生態(tài)閾值理論示意圖[22] Fig.2 Schematic diagram of ecosystem steady-state conversion principle and ecological threshold theory

確定生態(tài)閾值的方法主要分為三種：實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)、機(jī)理性數(shù)值模型模擬和統(tǒng)計(jì)分析方法。實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)的方法主要應(yīng)用于大氣、海洋及河口的研究,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)物種結(jié)構(gòu)和功能的監(jiān)測(cè)更為側(cè)重,但該判定方法主要適用于特定生物種群或特定檢測(cè)目標(biāo),缺乏對(duì)生態(tài)系統(tǒng)整體變化的判定,監(jiān)測(cè)成本較高。機(jī)理性數(shù)值模型模擬在預(yù)測(cè)和預(yù)警方面比較突出,能夠較全面的解釋生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的過(guò)程和機(jī)理,但多數(shù)模型無(wú)法模擬穩(wěn)態(tài)變化的非線性特征,需要長(zhǎng)期數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。本文采用統(tǒng)計(jì)分析方法揭示若爾蓋縣濕地穩(wěn)態(tài)變化的生態(tài)閾值,該方法基于長(zhǎng)時(shí)間序列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的規(guī)律來(lái)揭示穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象,以此來(lái)尋找生態(tài)閾值,是最為常用的方法。該方法并不需要掌握生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜動(dòng)態(tài)機(jī)制和過(guò)程,簡(jiǎn)便而有效[9]。

本文以1980、1990、1995、2000、2005、2010年和2015年7期土地利用數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,將土地利用類型的變化看作時(shí)間序列上濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)類型的突變,并劃定穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū),利用ArcGIS疊加分析功能,將穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)對(duì)應(yīng)的水文地貌指標(biāo)數(shù)值作為所尋求的生態(tài)閾值。

3 結(jié)果與分析

3.1 水文地貌指標(biāo)權(quán)重分析

為了探究影響濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的水文地貌指標(biāo),本文以行政鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為最小計(jì)算單元,以濕地面積和濕地面積比例表示濕地穩(wěn)態(tài)變化,選擇溝渠密度、線點(diǎn)率、網(wǎng)絡(luò)連通度、海拔高度、險(xiǎn)峻程度和TWI作為可能影響濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的水文地貌指標(biāo),利用熵值法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。在若爾蓋縣所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)中,熱爾鄉(xiāng)沒(méi)有濕地分布,阿西茸鄉(xiāng)、巴西鄉(xiāng)、崇爾鄉(xiāng)、凍列鄉(xiāng)、降扎鄉(xiāng)、求吉鄉(xiāng)和占哇鄉(xiāng)沒(méi)有人工溝渠分布,因此不列入計(jì)算單元。由于正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)數(shù)值代表的含義不同(正向指標(biāo)數(shù)值越高越好,負(fù)向指標(biāo)數(shù)值越低越好),將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)濕地面積、濕地面積比例和TWI作為正向指標(biāo),將海拔高度和險(xiǎn)峻程度作為負(fù)向指標(biāo)?；诒R濤等[17]和劉路明等[23]的研究,溝渠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度與沼澤所占面積成反比,與草甸群落植物多樣性成正比,因此,在濕地變化類型的各項(xiàng)指標(biāo)中,將溝渠密度、線點(diǎn)率和網(wǎng)絡(luò)連通度作為負(fù)向指標(biāo)。權(quán)重越大,生態(tài)指標(biāo)對(duì)濕地穩(wěn)態(tài)的影響越大。由表1可知,對(duì)濕地穩(wěn)態(tài)影響最大的兩項(xiàng)指標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)連通度和溝渠密度,權(quán)重分別是0.162和0.161。說(shuō)明溝渠的數(shù)量和結(jié)構(gòu)是對(duì)若爾蓋縣濕地穩(wěn)態(tài)變化影響最大的因素,以開(kāi)溝排水為主的干擾活動(dòng)對(duì)若爾蓋縣濕地的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化影響很大。

圖3 若爾蓋縣水文地貌指標(biāo)的空間分布Fig.3 Spatial distribution of hydrological and geomorphological indicators in Zoige County

表1 若爾蓋縣水文地貌指標(biāo)的權(quán)重Table 1 Weights of hydrological and geomorphological indicators in Zoige County

3.2 生態(tài)閾值計(jì)算3.2.1 濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)劃分

若爾蓋縣濕地穩(wěn)態(tài)與非濕地穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)換規(guī)律是計(jì)算生態(tài)閾值的依據(jù),高躍鵬等[24]基于1980—2015年全國(guó)陸地區(qū)域多時(shí)相土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)集將若爾蓋濕地變化類型分為穩(wěn)定型、退化型、恢復(fù)型和波動(dòng)型。本文采用其對(duì)若爾蓋縣濕地變化類型的劃分方法,根據(jù)若爾蓋濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化方向的不同,將濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)分為恢復(fù)轉(zhuǎn)化區(qū)、退化轉(zhuǎn)化區(qū)、穩(wěn)態(tài)平衡區(qū)和波動(dòng)變化區(qū)。經(jīng)統(tǒng)計(jì),若爾蓋濕地穩(wěn)態(tài)平衡區(qū)面積最大,共計(jì)1384 km2,占全縣濕地面積的47.56%;退化轉(zhuǎn)化區(qū)次之,面積為1044 km2,占全縣濕地面積35.88%;恢復(fù)轉(zhuǎn)化區(qū)面積為460 km2;波動(dòng)變化區(qū)面積最小,共計(jì)22 km2。

圖4 1980—2015年若爾蓋縣濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化區(qū)分布圖[24] Fig.4 Distribution map of steady transition zone of wetland in Zoige County from 1980 to 2015

穩(wěn)態(tài)平衡區(qū)是濕地保持穩(wěn)定不變的區(qū)域,如黑河牧場(chǎng)、轄曼種羊場(chǎng)附近,這些區(qū)域通常為湖泊或沼澤,具有發(fā)達(dá)的水系,地面平坦低洼,地下水位持續(xù)高于表層土壤。波動(dòng)變化區(qū)是非濕地和濕地動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化的區(qū)域,表現(xiàn)為濕地與非濕地之間的動(dòng)態(tài)平衡,其相互轉(zhuǎn)化無(wú)顯著方向、無(wú)明顯規(guī)律。

退化轉(zhuǎn)化區(qū)是濕地向非濕地轉(zhuǎn)化的區(qū)域。由表2可知,退化轉(zhuǎn)化區(qū)的溝渠密度和網(wǎng)絡(luò)連通度平均值最大,該區(qū)域受到溝渠排水作用影響,導(dǎo)致水位不斷下降,水位低于泥炭沼澤土表面,土壤厭氧環(huán)境遭到破壞,有機(jī)質(zhì)分解加快,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分釋放,濕生和中生植物迅速發(fā)育,耗水量增大,加速濕地退化。隨著地下水位的降低,土壤水分進(jìn)一步減少,風(fēng)毛菊(Saussureaspp.)、毛茛(Ranunculustanguticus)、鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)等高寒草甸植被逐漸占優(yōu)勢(shì)。

恢復(fù)轉(zhuǎn)化區(qū)是非濕地不斷向濕地轉(zhuǎn)化的區(qū)域,由表2可知恢復(fù)轉(zhuǎn)化區(qū)溝渠密度和網(wǎng)絡(luò)連通度的平均值最小。自1994年若爾蓋濕地自然保護(hù)區(qū)建立以來(lái),當(dāng)?shù)夭扇×伺潘疁羡痔疃碌葷竦厮墓こ袒謴?fù)措施,使約400 km2的濕地水位得以提高,水位抬高形成的厭氧環(huán)境有利于泥炭土累積,形成厭氧環(huán)境,泥炭沼澤不斷積累。生境由中生、旱生轉(zhuǎn)向濕生,以垂穗披堿草(Elymusnutans)、垂穗鵝觀草(Roegnerianutans)等禾本科植物為優(yōu)勢(shì)種的群落向優(yōu)勢(shì)種為烏拉苔草(Carexmeyeriana)、木里苔草(Carexmuliensis)、眼子菜(PotamogetondistinctusA.Bennett)等濕生水生植物的群落轉(zhuǎn)化,從而恢復(fù)沼澤濕地[25]。這一過(guò)程證明適度的人工干預(yù)有助于非濕地向濕地轉(zhuǎn)化,是促進(jìn)濕地恢復(fù)的有效手段。

表2 若爾蓋縣濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化區(qū)溝渠密度和網(wǎng)絡(luò)連通度差異Table 2 Differences of ditch density and network connectivity in steady transition zone of wetland in Zoige County

3.2.2生態(tài)閾值及調(diào)控范圍

由于恢復(fù)轉(zhuǎn)化區(qū)濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程證明了人工干預(yù)的有效性,具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)溝渠密度和網(wǎng)絡(luò)連通度的負(fù)向指標(biāo)性質(zhì),以恢復(fù)轉(zhuǎn)化區(qū)作為生態(tài)閾值的標(biāo)準(zhǔn),將恢復(fù)轉(zhuǎn)化區(qū)的網(wǎng)絡(luò)連通度和溝渠密度的最小值作為理想值,平均值作為臨界值。二者的區(qū)間即若爾蓋縣網(wǎng)絡(luò)連通度和溝渠密度的理想?yún)^(qū)間。用各鄉(xiāng)鎮(zhèn)網(wǎng)絡(luò)連通度的理想值和臨界值與實(shí)際值做減法運(yùn)算,得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)網(wǎng)絡(luò)連通度的生態(tài)閾值調(diào)控范圍,同理計(jì)算溝渠密度生態(tài)閾值調(diào)控范圍,為各鄉(xiāng)鎮(zhèn)制定具體的調(diào)控方案提供參考?；贏rcGIS 10.2疊加分析,得到網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通度的理想值為0.033,臨界值為0.054;溝渠密度的理想值為0.011 km/km2,臨界值為0.360 km/km2,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)閾值調(diào)控范圍見(jiàn)表3。調(diào)控范圍較低數(shù)值為理想值與實(shí)際值的差,較高數(shù)值為臨界值與實(shí)際值的差。由表3可知,麥溪鄉(xiāng)的溝渠密度最小,紅星鄉(xiāng)的溝渠密度最大,阿西鄉(xiāng)、紅星鄉(xiāng)、嫩哇鄉(xiāng)和轄曼種羊場(chǎng)的溝渠密度超出了理想?yún)^(qū)間,應(yīng)填堵溝渠以改善水文條件。轄曼鄉(xiāng)的網(wǎng)絡(luò)連通度最小,麥溪鄉(xiāng)的網(wǎng)絡(luò)連通度最大,麥溪鄉(xiāng)、班佑鄉(xiāng)、黑河牧場(chǎng)、轄曼種羊場(chǎng)和紅星鄉(xiāng)的網(wǎng)絡(luò)連通度已經(jīng)超出了理想?yún)^(qū)間。麥溪鄉(xiāng)溝渠數(shù)量較少,但是溝渠網(wǎng)絡(luò)交錯(cuò)復(fù)雜,從而將濕地景觀分割成塊,導(dǎo)致濕地景觀破碎化,因此麥溪鄉(xiāng)需降低網(wǎng)絡(luò)連通度,以增強(qiáng)濕地景觀連續(xù)性和均質(zhì)性。

表3 若爾蓋縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)網(wǎng)絡(luò)連通度和溝渠密度及其調(diào)控范圍Table 3 Network connectivity and ditch density and control range of townships in Zoige County

3.3 濕地恢復(fù)優(yōu)先性劃分

在進(jìn)行濕地恢復(fù)的過(guò)程中,首先確定關(guān)鍵調(diào)控指標(biāo),其次從空間上劃分優(yōu)先恢復(fù)濕地。通過(guò)熵值法本文已計(jì)算出若爾蓋縣濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的重要影響因素是網(wǎng)絡(luò)連通度和溝渠密度,故本文以溝渠密度為x軸,網(wǎng)絡(luò)連通度為y軸繪制散點(diǎn)圖,計(jì)算圖上各鄉(xiāng)鎮(zhèn)與理想?yún)^(qū)間的距離,距離越大則恢復(fù)等級(jí)越高。若爾蓋縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)濕地恢復(fù)等級(jí)采用自然斷點(diǎn)法分三級(jí)(圖5)。一級(jí)恢復(fù)區(qū)包括麥溪鄉(xiāng)、嫩哇鄉(xiāng)和紅星鄉(xiāng),其中麥溪鄉(xiāng)應(yīng)重點(diǎn)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)連通度,嫩哇鄉(xiāng)和紅星鄉(xiāng)應(yīng)重點(diǎn)調(diào)控溝渠密度;二級(jí)恢復(fù)區(qū)包括轄曼種羊場(chǎng)、阿西鄉(xiāng)、班佑鄉(xiāng)和黑河牧場(chǎng);三級(jí)恢復(fù)區(qū)包括唐克鄉(xiāng)、轄曼鄉(xiāng)和達(dá)扎寺鎮(zhèn),應(yīng)在保持現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,避免溝渠進(jìn)一步開(kāi)挖,以控制地下水位,防止沼澤疏干。

圖5 若爾蓋縣濕地優(yōu)先恢復(fù)等級(jí)Fig.5 Zoige county wetland priority recovery level

4 討論

基于熵值法和生態(tài)閾值統(tǒng)計(jì)分析方法,本研究篩選出對(duì)若爾蓋縣濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換影響最大的水文地貌指標(biāo),并計(jì)算理想值和臨界值兩類生態(tài)閾值。與原來(lái)研究?jī)H考慮要素自身變化率相比,本研究通過(guò)識(shí)別濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū),考慮了水文地貌條件對(duì)濕地穩(wěn)態(tài)的作用,賦予生態(tài)閾值更多的地理和生態(tài)意義。閾值的確定方法靈活、操作性強(qiáng),適用于難以獲得連續(xù)數(shù)據(jù)的其他影響指標(biāo),加上其長(zhǎng)期性和大尺度的視角,可以作為獲得生態(tài)閾值的一種借鑒方法。

本研究計(jì)算得到的若爾蓋縣濕地穩(wěn)態(tài)變化影響因素與其他學(xué)者研究比較一致。游宇馳等[26]認(rèn)為開(kāi)挖溝渠改變了若爾蓋沼澤的水流通道,導(dǎo)致在降雨期沼澤的積水沿溝渠被快速排走,使得沼澤脫水,引起地表水和地下水的水位下降。王元云等[27]利用層次分析法探究若爾蓋濕地變化的驅(qū)動(dòng)因素,結(jié)果表明導(dǎo)致濕地面積減少的主要因子是超載放牧、挖溝排水等人為因素。本文在定義生態(tài)閾值理想?yún)^(qū)間時(shí)以濕地恢復(fù)作為期望狀態(tài),根據(jù)Goffman等人的研究[2],一旦超過(guò)生態(tài)閾值,那么生態(tài)系統(tǒng)會(huì)偏離期望狀態(tài),即溝渠數(shù)量一旦超過(guò)臨界值將不利于濕地的恢復(fù),濕地穩(wěn)態(tài)可能發(fā)生波動(dòng)或退化,因此生態(tài)閾值研究對(duì)生態(tài)系統(tǒng)具有突出的預(yù)警意義。本研究關(guān)于若爾蓋縣濕地恢復(fù)優(yōu)先性的結(jié)果與其他學(xué)者的研究有出入,高躍鵬等[24]從景觀變化的角度探究若爾蓋縣濕地恢復(fù)優(yōu)先性,而本文更加關(guān)注濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的影響因素,從影響因素的角度劃分恢復(fù)優(yōu)先性,從而導(dǎo)致結(jié)果不同。一般來(lái)說(shuō),優(yōu)先恢復(fù)區(qū)的退化濕地面積比例是最大的,但本文所劃分的10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),其退化濕地面積比例均不超過(guò)30%,且在方差分析中沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn),即各恢復(fù)等級(jí)的退化濕地面積比例無(wú)顯著差異,因此在本研究區(qū)中不能將退化濕地所占比例作為劃分濕地恢復(fù)優(yōu)先性的依據(jù)。本文所采用的從影響因素的角度劃分濕地優(yōu)先恢復(fù)等級(jí)更符合研究區(qū)實(shí)際情況,從而為研究區(qū)濕地恢復(fù)提出更合理的建議。

表4 各等級(jí)恢復(fù)區(qū)濕地退化面積比例差異Table 4 Proportion of wetland degraded area ratios in each level of restoration area

表5 各等級(jí)恢復(fù)區(qū)濕地退化面積比例方差分析結(jié)果Table 5 Analysis results of proportion variance analysis of wetland degradation area in each level of restoration area

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,若爾蓋濕地的退化是氣候變化和人類活動(dòng)共同作用導(dǎo)致的,人為因素是在較短時(shí)間尺度造成濕地退化的重要影響因素[28- 30];過(guò)度放牧導(dǎo)致牲畜對(duì)沼澤化草甸的啃食和踐踏十分嚴(yán)重,加速沼澤向草甸的逆向演替過(guò)程[31],使?jié)竦匕l(fā)生退化并難以恢復(fù)[27];若爾蓋濕地蘊(yùn)藏豐富的泥炭資源,但若爾蓋縣泥炭的大量開(kāi)采使得大面積泥炭沼澤干涸[32- 33]。由于本研究沒(méi)有考慮氣候變化、超載放牧和泥炭過(guò)度開(kāi)采等因素的影響,因此影響若爾蓋縣濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的指標(biāo)有待進(jìn)一步的探討。另外,鑒于濕地生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性,僅通過(guò)濕地穩(wěn)態(tài)變化規(guī)律確定生態(tài)閾值,若爾蓋縣溝渠密度和網(wǎng)絡(luò)連通度的理想值和臨界值以及調(diào)控范圍具有一定局限性。因此,本研究只是基于水文地貌指標(biāo)和土地利用變化過(guò)程對(duì)若爾蓋縣濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的影響因素和生態(tài)閾值進(jìn)行初步探討,更加準(zhǔn)確詳細(xì)地辨識(shí)其隨時(shí)間、空間和人為干擾因素對(duì)濕地的驅(qū)動(dòng)作用,將有助于減少生態(tài)閾值研究的不確定性。

5 結(jié)論

本文以生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換理論為理論基礎(chǔ),利用熵值法篩選出影響若爾蓋縣濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的重要水文地貌指標(biāo),通過(guò)探究濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律厘定具體的生態(tài)閾值和調(diào)控范圍,在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上確定濕地恢復(fù)優(yōu)先性,從而為若爾蓋濕地穩(wěn)態(tài)保持和恢復(fù)的時(shí)空順序提供了參考。主要結(jié)論如下：

(1)若爾蓋縣濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化區(qū)共四種,分別是恢復(fù)轉(zhuǎn)化區(qū)、退化轉(zhuǎn)化區(qū)、穩(wěn)態(tài)平衡區(qū)和波動(dòng)變化區(qū)。其中穩(wěn)態(tài)平衡區(qū)面積最大,退化轉(zhuǎn)化區(qū)次之,其面積占全縣濕地面積的35.88%。

(2)影響若爾蓋縣濕地穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的重要水文地貌指標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通度和溝渠密度。若爾蓋縣網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通度的理想值為0.033,臨界值為0.054;溝渠密度的理想值為0.011 km/km2,臨界值為0.360 km/km2。麥溪鄉(xiāng)、班佑鄉(xiāng)、黑河牧場(chǎng)、轄曼種羊場(chǎng)和紅星鄉(xiāng)超出網(wǎng)絡(luò)連通度理想?yún)^(qū)間;紅星鄉(xiāng)、阿西鄉(xiāng)、嫩哇鄉(xiāng)和轄曼種羊場(chǎng)均超出溝渠密度理想?yún)^(qū)間。

(3)在若爾蓋縣需要進(jìn)行濕地恢復(fù)的10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中,按恢復(fù)先后順序分為三個(gè)等級(jí),一級(jí)恢復(fù)區(qū)應(yīng)優(yōu)先恢復(fù),二級(jí)恢復(fù)區(qū)次之,三級(jí)恢復(fù)區(qū)最后恢復(fù)。一級(jí)恢復(fù)區(qū)包括3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),即麥溪鄉(xiāng)、嫩哇鄉(xiāng)和紅星鄉(xiāng);二級(jí)恢復(fù)區(qū)包括4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),即轄曼種羊場(chǎng)、阿西鄉(xiāng)、班佑鄉(xiāng)和黑河牧場(chǎng);三級(jí)恢復(fù)區(qū)包括3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),即唐克鄉(xiāng)、轄曼鄉(xiāng)和達(dá)扎寺鎮(zhèn)。